基于雨課堂的研究生英語學習行為可視化分析*

袁 博 趙海媚 張成萍 李向明

（清華大學 深圳研究生院，廣東深圳 518055）

隨著全球化進程的加快，世界各國之間的溝通與交流日益頻繁，英語作為全球使用國家最多的官方語言[1]，其重要性也與日俱增。然而，目前我國高校英語教學存在諸多問題，如學生學習興趣較低、水平停滯不前等。蔡基剛[2]的調查發現，用人單位認為近年來大學畢業生中英語口語能力強或非常強的僅為5%，差或極差的為37%；能勝任或基本勝任國際會議討論和對外業務談判的分別為7%、14%。長期以來，傳統的課堂教學類似于一個“黑盒”的運作過程，教師通常只能單方面完成預設的教學環節，而無法深入了解每個學生的學習狀態和學習習慣，難以真正做到因材施教。因此，在整個教學過程中，教師只能憑借自己的一般性經驗和感覺來把握教學進度及方式方法，缺乏科學的、有針對性的數據支撐。

一 研究背景

近年來，隨著以在線教育、翻轉課堂和混合式課堂為代表的先進教學模式及理念的涌現，傳統的英語教學也面臨著新的變革機遇。由清華大學創辦的慕課平臺“學堂在線”于2013年10月上線后，已成為目前國內最大的中文慕課平臺并得到社會的高度認可[3]。2016年4月，“學堂在線”推出智慧教學工具——雨課堂，將教師普遍使用的PPT課件和微信平臺進行無縫銜接，在師生之間架起了一座課上、課下進行溝通互動的橋梁。

通過雨課堂，課前教師可以將包含慕課視頻、習題和語音的預習課件推送到學生的手機客戶端；課上，教師可以實時發布習題、開展彈幕互動，并實時查看學生的答題數據；課后，教師可以推送作業和復習材料，并及時掌握學生的完成情況。截至2017年3月31日，已有超過75萬名師生使用雨課堂開展教學活動，注冊班級超過6萬個，涉及的教學機構和單位超過5000個[4]。根據雨課堂官方最新統計數據，截至2018年3月20日，全球共有超過18萬個班級、298萬名師生使用雨課堂開展教學活動，覆蓋國家超過60個，月平均活躍用戶數超過137萬。由此可見，隨著智慧教學工具的大規模普及，教育數據在數量和維度上都出現了顯著的變化，一方面可供科研人員進行深入的挖掘和分析，另一方面能幫助教師量化地了解學生的學習效果、把握學生的學習軌跡，從而及時調整授課進度與側重點，更好地實現教與學的融合[5]；同時，也有利于學生了解和把握自己的學習狀態，提高學習效率。

二 數據描述

本研究借助由雨課堂收集到的真實學習數據，利用可視化技術對其進行系統的挖掘，為探究學生的學習行為、提升教學質量提供了科學的依據。本研究所使用的數據來源于2016年秋季學期清華大學深圳研究生院開設的研究生英語課程，該課程分為10個班級，共有287名非英語專業研究生參與，其中男生211人，女生76人。本研究重點關注學生課前預習作業和課后作業的完成情況，作業數據包括得分、耗時、提交時間，時間跨度為13個教學周（2～14教學周），其中第1周為開學周，老師未布置作業；第4周為假期，未產生數據。學生信息包括學號、性別、院系和期末成績等。

為便于分析和比較，本研究對原始數據進行了以下預處理：①將課前預習作業和課后作業的滿分均轉換為10分。②將作業用時統一轉換成以秒為單位。③對于未提交作業的情況，在計算全體學生的平均作業成績時，將相應數據予以忽略；而當具體分析某位同學的學習情況時，將該作業計為0分，表示學習狀態不佳。④將完成單次作業用時超過6小時的學生數據視為異常值，予以忽略。

三 可視化分析

1 性別差異

從20世紀20年代開始，性別與語言學習的關系一直是語言學家、心理學家及社會學家的研究興趣點，有大量研究者對此進行了分析[6][7][8][9][10][11]。目前，國內外研究者針對性別差異的調查研究已形成大致相同的意見：語言學習中存在性別差異。并且，大多數人認為女生在語言學習上優于男生并且這一差異有逐漸擴大的趨勢[12]。事實上，兩性個體在認知層面存在遺傳學上的區別，并在社會化過程中逐漸獲得與性別相適應的行為模式和心理特征，形成穩定的性別角色。而語言學習是一個非常復雜的過程，其中男女兩性的性別角色、個體對自己的心理暗示及外界對個體角色化的評價等，均會對其行為和成績產生很大的影響。如今，在更多學習數據的支撐下，研究者可以更好地分析男、女生在英語學習過程中的差異化表現，以有助于教師針對不同性別的學生進行因材施教，并逐漸減弱性別角色在英語學習中的不利影響。

本研究分別統計了男、女生的各項平均成績（包括課后作業平均成績、課前預習作業平均成績、期末平均成績）和完成作業（包括課前預習作業和課后作業）所用的平均時間并進行了對比，如圖1、圖2所示。

圖1 男、女生各項平均成績對比

圖2 男、女生作業平均用時對比

圖1顯示，女生的課后平均成績比男生高2.18分、期末平均成績比男生高2.71分，說明女生的整體英語水平高于男生。但是，女生課前預習作業的平均成績僅比男生高0.03分。通過查閱課后作業，本研究發現其內容主要是關于歐美文化（屬于興趣學習范疇），而課前作業均為針對下堂課內容的預習，可見兩者在定位上存在較大的差異。根據男、女生各項平均成績的對比結果，本研究推斷女生整體上比男生對歐美文化更感興趣；相對于女生來說，男生的學習更多地圍繞課堂教學內容，而對拓展學習的積極性較弱——這一點可從男、女生作業平均用時的對比結果得到驗證。圖2顯示，女生在課后作業上花費的平均時間比課前預習作業多了近一倍，說明她們可能比男生對歐美文化更感興趣，愿意投入更多的時間；而她們雖然在課前預習作業上花費的時間較少，但整體成績仍比男生略高，說明女生在英語學習上存在一定的基礎優勢。據此，本研究建議教師根據學生的性別差異制定有區分度的教學方案，引導學生在自身感興趣的領域進行英語學習。如Bügel等[13]發現，男生在有關激光、火山、汽車、足球等“男性話題”的外語閱讀中的表現勝于女性?；诖耍處熢谟⒄Z教學中可以適當增加“男性話題”，鼓勵男生更多地關注他們感興趣的領域，激發內在的學習動力。

2 作業用時與最終成績、開始答題時間的關系

學生的英語成績與其自身的英語基礎密切相關，而學生的學習態度和學習習慣（如作業用時、開始答題時間等）也是影響成績的重要因素。此外，人們普遍傾向于認為學習的努力程度對外語學習成績有直接影響，即在語言學習上投入時間越多的學生，其成績往往越高。

為此，本研究統計了所有學生的作業（包括課前預習作業和課后作業）平均用時并分析了其與最終成績之間的關系，結果如圖3所示。在圖3中，每一個圓形區域代表一個學生，顏色越深代表最終成績越高，面積越大代表作業平均用時越多?？梢钥吹剑瑘A形的面積大小與顏色深淺之間沒有明顯的規律可循，說明作業平均用時并不能直接決定學生的最終成績。此外，為了更準確地驗證作業用時與最終成績之間的關系，本研究在課前、課后共24次作業中隨機選取一次作業（第10周課后作業），并分析了此次作業用時與學生的最終成績之間的關系，結果如圖4所示。在圖4中，矩形的大小取決于分數的多少，顏色則隨作業用時的增多而加深。可以看到，每個相同分數的作業用時存在很大的差異，而在相同作業用時的情況下也出現了分數不同的情況，說明作業用時可以在一定程度上反映學生的學習態度，但與最終成績并不一定存在顯著的相關性。

圖3 作業平均用時與最終成績的關系

圖4 單次作業用時與最終成績的關系

作業用時可能會受到一些因素的影響，如開始答題時間、作業難度等。需要注意的是，雨課堂的作業系統所記錄的用時是學生在線時間，可能會與學生的實際行為狀態有所不同。考慮到不同周次的作業發布時間不同，本研究采用了第8周課后作業的數據，來分析作業用時與開始答題時間之間的關系，結果如圖5所示。在圖5中，橫坐標代表一天24個小時，左側縱坐標代表在某時間段開始答題的學生完成作業所用的時間?？梢钥闯觯诎胍梗?～3點）、清晨（5～8點）及中午（10～13點）這三個時間段開始答題的學生所用時間最多。結合學生的作息規律來分析，可以推斷：半夜和中午時，學生有可能在打開作業頁面后不久就休息了；清晨則是學生一天中最忙碌的時候，容易因為上課等事情而將作業擱置。此外，右側縱坐標代表某時間段開始答題的人數，可以看到：學生更傾向于在10點、12點、16點、22點開始做作業，而17點開始做作業的學生作業完成得較為迅速。因此，本研究建議學生宜選擇在效率較高的時間段完成作業，并盡量拿出整段時間投入其中，避免穿插其它事情而影響答題效率、耽誤作業時間。

圖5 開始答題時間與作業用時的關系

圖6 作業用時的聚類結果分布圖

3 作業用時的聚類分析

在相同的學習任務中，不同學生個體會表現出多樣化的學習行為，了解其中的異同并加以利用，將有助于提高學生的學習效率。雨課堂等智慧教學工具的出現，可以使學習過程突破傳統課堂的時空限制，使學生之間的合作互助變得更加容易并且可控。而在合作學習中如果采用恰當的分組方式，學生就可以共同制定小組學習目標，通過對話、商討、爭論等形式對問題進行充分論證，獲得實現學習目標的最佳途徑[14]。而科學的分組方式的前提，是對所有學生的學習行為與學習習慣之間的異同有深入的了解。

為此，本研究根據學生的課后作業用時和課前預習作業用時對260名學生（排除用時超過4小時的學生）進行聚類分析，結果如圖6所示。利用K均值算法，本研究發現學生的作業用時情況大致有如下三種：①課后作業用時很多，課前預習作業用時很少（有46人）；②課后作業、課前預習作業用時都較少，這種情況的人數最多（達143人）；③課后作業用時很少，課前預習作業用時很多（有71人）。作業時間花費的多少可能與學生的學習基礎、興趣及態度有關，但真實反映了不同學生的學習重心及學習習慣的差異。相較于單純根據教師的經驗和印象分組，利用作業用時的聚類分析結果對學生進行分組更加科學合理。

4 典型學生的學習曲線

雨課堂的數據除了可以支持宏觀上的分析，也可以支持每一位學生學習狀態的分析，并為其勾畫出一條個性化的學習曲線。本研究以研究生英語課程最終成績得分最高的鄭同學和得分最低的袁同學為例，對其學習狀態進行分析，并分別勾畫出學習曲線（如圖7、圖8所示）。兩幅圖的橫坐標代表學生開始做作業的時間；左側縱坐標代表作業分數（10分為滿分），每次作業的得分用條形圖展現；右側縱坐標代表作業用時，用時的多少變化以折線圖展現。

圖7 鄭同學的學習曲線（左：課前作業，右：課后作業）

圖8 袁同學的學習曲線（左：課前作業，右：課后作業）

圖7 顯示，鄭同學的作業成績多為滿分，最低分為7分，說明他的作業質量整體保持在一個較高的水平；他基本在16～18點之間完成作業，說明他的學習習慣非常規律；他每次的作業用時都不太長，作業從不拖沓，總是一次性高效率完成。由此可見，鄭同學是學習習慣好、學習效率高的典型（他的最終成績為數據集中所有學生的第一名也證實了這一點），他的學習行為值得分析總結并可供其他同學參考。

圖 8顯示，袁同學有若干次未提交作業的情況，反映了他的學習態度欠佳。從開始答題時間來看，他做作業的時間不規律，但23點之后做作業的情況居多。此外，他課前預習作業用時多為3～5分鐘，也從側面反映出他對待作業的態度不夠認真。袁同學的英語最終成績為數據集中所有學生的最低分，可能就與他有待改進的學習態度和學習習慣有關。通過對負面典型的學習行為進行分析，可以對其他學生產生警示和啟發。

學習曲線的勾畫有利于教師及時把握學生學習狀態的變化趨勢，從而在學生學習狀態不佳或狀態出現轉變時能及時給予提醒和關注。對學生來說，學習曲線也有著重要的價值：通過了解自己學習狀態的變化并與其他同學進行對比，可以幫助自己對學習狀態進行反思，并對今后的學習行為進行積極調整。值得一提的是，智慧教學工具也可以根據學生的當前學習狀態及時給予鼓勵或警告，從而幫助學生更好地把握自己的學習進度。

四 研究展望

雨課堂是大數據時代的產物，它不僅為促進課堂內外的師生互動提供了強有力的支持，而且可用來便捷、高效地收集一線教學工作中的各類數據，從而幫助教育科研和管理人員對學生的學習行為進行深入的量化研究。在大數據時代，人們自身和周圍環境時時刻刻都在產生大量的數據，數據甚至成為了“人類世界的下一個自然資源”[15]，在經濟、政治、醫療、能源等領域均發揮著重要的作用。尤其是在教育領域，數據的價值更是不容小覷。根據中商情報網統計，2015年教育行業的大數據應用市場規模占到了全球應用市場規模的8%，并正在以每年10%的速度持續增長；預計到2020年，教育行業將發展成為全球大數據應用的第八大市場，僅中國教育市場的規模就將達到3萬億元[16]。

可以預見，隨著以雨課堂為代表的智慧教學工具的飛速發展和廣泛應用，前所未有的學習行為數據必將在教育領域產生深遠的影響。隨著數據量的增大、數據類型的不斷豐富和數據結構的日趨復雜，只有通過先進的數據可視化技術對繁雜的數據進行有效分析與合理展現，才能高效地發現數據中蘊含的新問題、新模式和新知識，從而更好地對教育實踐產生積極的反饋和影響。雨課堂工具自2016年4月正式推出之后，其功能不斷地進行了拓展。今后，研究者還需收集更多維度的課堂教學數據，對學生在課前、課中、課后的行為進行深入分析，以期在宏觀層面上幫助教育管理部門更好地了解課堂教學的現狀，在微觀層面上促進教師改進教學方法、提高教學效率[17][18]，同時協助學生了解自己的學習習慣、提升學習效率。

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